不同环境温度下轮轨滑动摩擦热分析（英文）

轮轨之间的相对滑动所产生的摩擦热是引起轮轨摩擦损伤的主要因素。环境温度作为轮轨滑动接触中客观存在的自然现象,其大小决定了轮轨与空气间的热量传递以及轮轨表面温度,大部分科研在轮轨滑动接触分析中将环境温度取为20C°。借助ABAQUS有限元软件,对轮轨滑动状态进行三维热弹塑性分析,针对不同的环境温度,在指定滑动速度下,分析轮轨接触区的温度场变化。结果表明:环境温度的增加并未引起轮轨接触区温度场的巨大变化,环境温度数值的大小变化对轮轨滑动摩擦的接触影响较小,在轮轨的数值模拟计算中可以将环境温度取一个定值。     

小半径曲线内轨波磨外轨无波磨原因的研究

目的研究铁路小半径曲线线路内轨有波磨而外轨无波磨的原因。方法根据轮轨系统摩擦自激振动导致钢轨波磨的观点,建立了由车轮、钢轨和轨枕组成的轮轨系统摩擦自激振动模型。在模型中,车轮与钢轨接触几何关系使用车辆通过R=350 m曲线时的SIMPACK车辆动力学仿真计算获得的数值,钢轨与轨枕、轨枕与道床之间的连接用弹簧和阻尼单元组来模拟。应用复特征值方法对该模型发生摩擦自激振动的趋势进行了数值分析。结果小半径曲线内轨和车轮的接触角较小,在饱和蠕滑力(即摩擦力)作用下容易发生摩擦自激振动,因而容易出现波磨;外轨和车轮因为接触角较大,在饱和蠕滑力作用下不容易发生摩擦自激振动,因而极少出现波磨。数值预测结果与波磨发生的实际情况一致。结论轮轨蠕滑力饱和以及轮轨接触角是引起小半径曲线内外轨波磨差异的两个主要因素,其中轮轨蠕滑力饱和(即轮轨滑动)是决定性因素,如果轮轨蠕滑力不饱和,则轮轨系统就不会发生摩擦自激振动,因而就不会出现波磨。     

摩擦压力机摩擦材料分析及其校核

摩擦材料易磨损,传动效率低及生产率低是摩擦压力机的主要缺点。摩擦盘在接合过程中所消耗能量,主要表现在摩擦带因发生变形而引起的内部损耗,以及接触表面之间发生相对滑动摩擦。摩擦副的接触状态是间断的,在工作循环过程中是变化的。摩擦盘在接合过程中输出的能量,一部分转变为飞轮螺杆的动能,而其余部分则转变为摩擦热。载荷在摩擦带上所引起的磨损与材料性质、结构形式、压紧力大小、相对滑动速度     

Yx形液压密封圈温度场有限元分析

应用超弹性理论和传热学原理,分析橡胶密封圈摩擦生热和机械滞后生热的机制;采用有限元法对Yx形液压密封圈热结构耦合场进行模拟,得到密封圈的温度场分布,研究工作参数对温升的影响及规律。结果表明:摩擦生热主要使密封圈与活塞杆接触部分温度升高,机械滞后生热使密封圈中心部分温度较高,其温升明显高于摩擦引起的温升,两种热源作用下,密封圈有很高的温度场;对于相同橡胶材料,油压、相对滑动速度以及油温的增大,均使密封圈温升明显增加。因此工作中限制工作压力和相对滑动速度以及提供较好的散热条件,对降低密封圈温升、提高密封性能和使用寿命有利。所建立的模型为定量分析各类密封圈温度场提供了研究基础和方法。     

一种新型车用无级变速器的传动特性研究

为验证一种新型车用无级变速器(BVT)的可行性,运用赫兹接触理论和摩擦传动的基本理论构建了函数式,并通过迭代求解方法,在模拟整车工况的情况下,对其传动和接触特性进行了分析。计算结果表明:BVT输入、输出接触区内纯滚动点的偏移量均随输入扭矩的增大而增大,而且无论输入扭矩多大,输入接触区纯滚动点的偏移量均大于输出接触区;牵引系数在BVT的所有工况下对滑动率的影响都是极其明显的,而且BVT的滑动率随着牵引系数的增加而减小。结果表明:该BVT具有传动系数恒定、接触应力较小、滑动率较低、接触摩擦效率较高等优点,其良好的接触摩擦效率可与现有的车用牵引式CVT媲美。从传动性能方面验证了BVT设计原理的可行性。     

基于有限元方法的环境温度对机床热变形的影响

以XK5034立式铣床为研究对象,通过ANSYS软件对其热特性进行了有限元分析,将分析得到的温度场与热成像仪实际测量的温度场进行验证,发现有限元分析的温度场与实际测量的基本吻合。在此基础上重点分析了主轴前端在不同转速和不同环境温度下的热变形,结果表明：随着主轴转速和环境温度的升高,主轴前端热变形增大;环境温度对主轴前端引起的变形在25℃出现拐点,当环境温度小于25℃,环境温度对主轴前端变形影响较小,当环境温度超过25℃,主轴前端热变形较大。     

微动接触中分形粗糙表面的温升分布研究

目的 研究不同分形参数下表面粗糙度对微动接触表面温升的影响。方法 通过创建Python脚本,将MATLAB中利用Weierstrass-Mandelbrot函数构造的分形表面轮廓坐标导入ABAQUS中,使用样条曲线拟合轮廓坐标,构建包含粗糙表面的二维柱面-平面接触模型,研究表面粗糙度、法向载荷、切向载荷以及材料属性对接触表面温升的影响规律。结果 微动接触状态下,温升在接触宽度方向上呈先增后减的趋势,且沿深度方向温升幅值逐渐减小。不同粗糙度的表面节点具有相似的温升分布历程,热影响区主要分布于接触区表层附近,并在此表层产生高的温度场。粗糙接触模型会出现局部温升峰值,同时剪切摩擦应力和接触压力分布具有离散性,与文献中已有结论一致。结论 接触表面温升幅值随着粗糙度的增大而增大。当表面粗糙度和法向载荷一定时,随着切向载荷幅值的增大,上试件的相对滑移距离和摩擦热产生率增加,引起温升幅值增大。考虑材料属性时,发现温升幅值大小与材料导热性密切相关,材料导热性能越好,接触表面温升幅值越小。     

高速列车车轮钢摩擦热致相变的计算机模拟

将有限元热力耦合计算与材料相变特征的实验研究相结合，研究了高速度及大载荷条件下的轮／轨摩擦导致车轮热损伤的机理，探讨了滑行速度、时间和载荷等因素对车轮踏面的温度场变化及对奥氏体相变区尺寸的影响．结果表明，在大载荷滑行情况下，接触区的峰值温度可超过材料的相变临界点，相变区深度可能达到1mm以上；滑行速度的提高可以增大相变层出现的几率，但并未增加相变层的深度；接触区峰值温度和相变区尺寸均随载荷的大小呈线性变化。     

搅拌头形状对搅拌摩擦焊材料变形和温度场的影响

采用完全热力耦合模型研究了搅拌头形式对搅拌摩擦焊接中材料变形和温度场的影响.结果表明,搅拌头轴肩形状变得平坦会导致焊接温度和塑性变形程度的降低,有效功率会减少.采用锥形搅拌针时焊接温度较柱形搅拌针低,这是由于接触而滑动率减少导致摩擦热减少,但是此时,塑性变形会增加.采用尺寸较小的搅拌头轴肩时,摩擦面积的减小是导致焊接温...     

Initial temperature field’s simulation and analysis of 2024 aluminum alloy piate's friction stirring welding

搅拌摩擦焊下压过程中温度场的建立对工件的焊接质量有重要的影响.在搅拌摩擦焊接过程中,搅拌工具与焊接工件的摩擦接触关系及焊接工艺参数的选取,决定了焊接过程中工件的温度场分布.基于修正的库仑摩擦定律,建立了火箭燃料贮箱所用3mm厚2024铝合金材料搅拌摩擦焊接下压过程的热量输入模型,通过有限元分析得到了整个过程中的温度场分布.分析结果表明,该模型的下压阶段温度场计算精度较高.模型的计算结果对指导铝合金焊接初始下压过程中转速、下压速度及项锻力的大小等焊接工艺参数的选取具有重要意义.     

偏航制动摩擦片热力耦合计算及失效原因分析

目的结合摩擦片的失效原因,分析偏航制动摩擦片的接触面受力情况。方法利用有限元法建立制动盘和制动器摩擦片的热力耦合接触模型,设置摩擦片和制动盘的参数和材料性能,研究不同压力、滑动速度、摩擦系数和环境温度下的制动器摩擦片应力和温度的分布情况。结果得到了偏航压力、滑动速度、摩擦系数、环境温度对制动器摩擦片接触面的等效米塞斯应力和温度分布曲线,摩擦片两侧区域属于等效应力和温度分布的交变集中区,但靠近边缘,等效应力和温度值略微减小。适当减小压力,增大滑动速度,减小摩擦系数,有助于减小摩擦片接触面的等效米塞斯应力分布,温度对摩擦片接触面的等效米塞斯应力分布基本无影响。得到了摩擦片接触面等效米塞斯应力和温度场与接触面位置的高斯分布曲线方程。通过将制动器摩擦片磨损失效照片和文中计算数据进行对比,验证了有限元分析的正确性。结论通过合理选择偏航压力、滑动速度、摩擦系数,可以有效地缓解偏航制动器摩擦片的等效应力和温度分布的交变集中区,进而达到延长摩擦片使用寿命的目的。     

钢轨打磨用复合砂轮磨削温度场的研究

为研究钢轨打磨用钎焊金刚石插片复合砂轮磨削时的温度场，用复合砂轮和树脂锆刚玉砂轮在不同压力下磨削65Mn钢工件，并对比其磨削温度。基于试验数据，用有限元法分析复合砂轮磨削钢轨时的温度场。结果表明:随着磨削压力的增大，砂轮产热增大，但复合砂轮磨削产热相对较小。相对于相同条件下用树脂砂轮打磨时，用复合砂轮打磨钢轨时的磨削表面最高温度降低近10%。      

阻燃钛合金摩擦着火热源模型及仿真分析

钛火是现代航空发动机的典型灾难性事故,压气机转子与静子的异常摩擦是其主要热源。采用动网格方法结合等效模型建立转子与静子试件的三维热-力-磨损耦合有限元模型,对不同摩擦接触压力和环境温度等条件下550℃阻燃钛合金TF550摩擦着火过程的温度场进行数值建模与仿真分析。结果表明,在室温、200 N摩擦接触压力条件下,TF550钛合金静子试件在7.2 s达到着火温度,此时转子试件温度仍维持在1 000 K,比静子试件低约900 K;当摩擦接触压力从200 N增大至400 N时,摩擦着火延迟时间为3.3 s;当摩擦接触压力提升至700 N时,着火延迟时间缩短至2 s以内;在823 K的环境温度下,静子试件的摩擦着火延迟时间为5 s,比室温下的摩擦着火延迟时间缩短了2.2 s;相对于环境温度的影响,摩擦接触压力对TF550钛合金摩擦着火升温速率的影响更大。     

激光离散淬火对轮轨材料磨损与损伤性能的影响

在MJP-30A型滚动接触疲劳试验机上进行激光离散淬火处理前后的轮轨试样的摩擦磨损试验,研究了激光离散淬火处理对轮轨材料的磨损与损伤性能的影响。结果表明:经激光离散淬火后得到致密的马氏体,对轮轨材料的表面硬度具有明显的增强作用,车轮和钢轨试样的表面硬度分别提高了约191.1%和214.5%;轮轨试样经激光离散淬火处理能显著提高轮轨材料的耐磨性,对均经处理的轮轨材料进行实验,发现车轮试样磨损率降低约20.5%,钢轨试样降低约21.9%;而单一处理轮轨试样能大幅降低处理试样的磨损,但其对摩副的磨损有小幅增加;未经处理轮轨试样表面损伤严重,主要表现为剥落损伤;激光离散淬火处理后轮轨试样表面损伤减轻,以小块剥落为主要的磨损形式;淬火区之间的基体表面以剥落损伤为主并伴随一定的疲劳磨损。激光离散淬火处理后轮轨材料组织的抗变形能力得到大幅提高,且淬火区能抑制基体材料的塑性变形。     

轮轨材料/硬度匹配研究进展与展望

车轮与钢轨硬度是影响轮轨磨损的主要因素之一,合理的轮轨材料与硬度匹配对于减轻轮轨磨损、延长服役寿命具有十分关键的作用。当前我国铁路运营过程中存在2种硬度钢轨匹配4种硬度车轮的现象,材料匹配行为复杂。针对铁路轮轨材料和硬度的选用与匹配,至今尚无统一合理的规定与标准。从轮轨材料硬度出发,首先分析了国内外轮轨材料发展与硬度匹配的使用现状,发现不同国家和地区轮轨材料硬度的选用存在较大差异。具体表现为:日本新干线使用的车轮硬度远高于钢轨(H_R/H_W<1),欧洲高速铁路上H_R/H_W值接近1,而中国高速铁路系统中,轮轨种类多,硬度区间大。其次,总结了轮轨硬度匹配研究进展,明确材料硬度和轨轮硬度比(H_R/H_W)对磨损与滚动接触疲劳损伤都具有显著影响,但并没有形成统一的结论,且以往的材料选用经验并不完全适用于当前的铁路系统。然后,针对现阶段轮轨材料与硬度匹配研究,探讨了材料加工硬化、合金钢微观组织、表面热处理工艺、复杂服役环境与车轮运行参数等因素的潜在影响。最后,提出...     

Contact and thermal analysis of bronze and steel machined surfaces in sliding contact

Between engineering components in sliding contact there are usually small real contact areas inside the nominal contact area. The real contact pressure frequently is in the range of the plastic limit pressure.The effect of different machining processes (grinding, milling, spark-erosion and superfinising) on the contact parameters (real contact areas, contact pressure distribution and contact temperature) were analysed and compared between bronze and steel sliding surfaces.The developed contact algorithm can simulate the elastic and also the elastic-plastic sliding contact behaviour in the vicinity of the asperities in an approximate way.Assuming certain sliding speed and coefficient of friction the local contact temperature distribution is also calculated due to the heat generation over the real contact areas for'slow sliding' problems.     

Modelling heat flow around tool probe in friction stir welding

Abstract

The objective of the present paper is to investigate the effect of including the tool probe in the numerical modelling of three-dimensional heat flow in friction stir welding (FSW). The heat flow close to the probe/matrix interface is investigated. In the models presented, the heat is forced to flow around the 'probe hole'. In this manner, the material flow through the probe region, which often characterises other thermal models of FSW, is avoided. This necessitates controlling the convective heat flow by prescribing the velocity field in the narrow shear layer at the tool/matrix interface. As a consequence the sliding, sticking, or partial sliding/sticking condition can be modelled. Six cases are established, which are represented by three stages of refinement of the heat source model, combined with two different contact conditions, i.e. full sliding and full sticking.     

神经网络在模具型腔温升预测中的应用

挤压成形过程中由于坯料和模具之间的滑动接触摩擦和坯料的塑性变形产生热而使模具型腔表面温度升高,加剧模具的磨损。采用热力耦合有限元法计算挤压成形过程中模具型腔表面的温升,将模拟结果与人工神经网络相结合,以有限元模拟结果作为学习样本,训练BP神经网络模型,以此模型预测模具型腔表面的温升。根据预测结果分析了挤压锥角、挤压速度和摩擦系数对型腔温升的影响,为进一步建立挤压成形过程中模具型腔表面的温升模型和磨损预测模型奠定了基础。     

Polishing of polycrystalline diamond by the technique of dynamic friction, part 1: Prediction of the interface temperature rise

This paper investigates the interface temperature rise in polishing a polycrystalline diamond (PCD) surface. First, the Greenwood–Williamson's statistical asperity model is applied to characterise the surface roughness of a PCD specimen. The result is then used to estimate the contact area and total number of contact asperities under an applied polishing load. The heat generated is taken as the product of the friction force and the relative sliding velocity between the PCD asperities and the metal disk surface. The Jaeger's moving heat source analysis is then applied to determine the fractions of heat flux flowing into the PCD asperities and their counterpart in contact sliding and to give rise to the average temperature rise. A comparison with the observations made in the authors' experiments and those reported in the literature showed that the model predicts very well the temperature rise at the polishing interface.